硫酸盐还原菌中异硫磺酸转运的TRAP转运体结构基础解析

《Structure》：Structural basis of isethionate transport by a TRAP transporter from a sulfate-reducing bacterium

本研究发现硫酸盐还原菌Oleidesulfovibrio alaskensis通过TRAP转运体OalsePQM介导异硫磺酸（isethionate）摄取，首次解析了非唾液酸类TRAP转运体的冷冻电镜结构（2.98 ?），揭示了底物结合位点与Na+结合位点的分子特征。通过功能实验证实转运过程依赖Na+梯度与底物结合蛋白OalseP的协同作用，为理解细菌有机硫化合物转运机制提供了新模型，对开发抗菌策略及工业生物修复工具具有重要意义。

　　

在微生物世界中，硫酸盐还原菌是一类具有双重特性的特殊存在：它们既是环境中重要的生物修复助手，能够清除工业废水中的硫酸盐污染，又是人类疾病的潜在推手——其代谢产生的硫化氢与溃疡性结肠炎、结直肠癌等疾病密切相关。这类细菌通过还原硫酸盐进行厌氧呼吸，但令人惊讶的是，它们对环境中广泛存在的有机硫化合物（如异硫磺酸）的摄取机制却长期笼罩在迷雾之中。

异硫磺酸作为一种常见的有机磺酸盐，不仅存在于工业污染环境中，更是人体肠道内牛磺酸代谢的副产物。硫酸盐还原菌Oleidesulfovibrio alaskensis通过一种特殊的TRAP（Tripartite ATP-independent Periplasmic，三部分ATP非依赖性周质）转运体系统摄取异硫磺酸，但这一过程的分子机制始终未被揭示。理解这一转运机制不仅有助于开发针对致病菌的新型抗菌策略，还能为工业生物修复提供理论指导。

在这项发表于《Structure》的研究中，Newton-Vesty等人首次解析了异硫磺酸结合的OalseQM TRAP转运体的冷冻电镜结构，分辨率达到2.98 ?。该研究不仅揭示了底物和Na⁺结合位点的精细结构，还通过功能实验证实了转运过程对Na⁺梯度和底物结合蛋白OalseP的依赖性。这一突破性工作建立了一个非唾液酸TRAP转运体的研究模型，拓宽了我们对TRAP介导的次级转运机制的理解。

关键技术方法包括：利用酵母表面展示平台筛选纳米抗体并构建兆抗体（megabody）辅助的冷冻电镜结构解析；通过蛋白酶脂质体转运实验验证转运功能与Na⁺依赖性；采用AlphaFold2进行复合物结构建模；结合分析超速离心术确认蛋白质寡聚状态。

结构特征分析表明，OalseQM采用内向（elevator-down）构象，异硫磺酸结合位点位于支架结构域和转运结构域之间的溶剂可及腔内。研究团队观察到两个Na⁺结合位点（Na1和Na2） flanking（侧翼）底物结合位点，其中Na1位点显示出明确的配位几何特征。与唾液酸特异性TRAP转运体（SiaQM）相比，OalseQM的底物结合位点更小且疏水性更强，仅形成四个氢键，这一发现支持了TRAP转运体将底物特异性识别"外包"给P亚基的假说。

功能验证实验通过蛋白酶脂质体 assays 证实，OalsePQM的转运活性同时依赖于内向Na⁺梯度（ΔμNa⁺）和膜电位（ΔΨ）。浓度依赖性研究表明，转运速率随OalseP浓度增加而提高，在1μM时接近平台期；异硫磺酸浓度在250μM时达到最大转运速率。值得注意的是，外部Na⁺浓度与转运活性呈S型曲线关系，希尔系数为2.5，表明每个异硫磺酸分子的转运伴随多个Na⁺的协同转运，支持电genic（生电）转运机制。

独特的融合螺旋结构是OalseQM的另一重要特征。与唾液酸特异性TRAP转运体不同，OalseQM的融合螺旋更紧密地pack（堆积）在支架结构域周围，形成独特的脂质结合口袋。这种结构差异可能反映了不同TRAP转运体在膜环境适应性的演化策略。

通过AlphaFold2建模的OalsePQM复合物结构揭示了P亚基与膜组分的相互作用模式。模型显示OalseP主要与QM组分的支架结构域相互作用，形成显著的电荷互补区域。比较内向和外向构象的复合物模型表明，转运结构域通过 elevator-type（电梯型）构象变化实现底物转运，这一过程中特定残基可能参与破坏OalseP的水分子网络，促进底物释放。

这项研究的重要意义在于：首次提供了非唾液酸类TRAP转运体的高分辨率结构，揭示了异硫磺酸识别的结构基础；通过功能实验验证了转运机制对Na⁺梯度和底物结合蛋白的依赖性；建立了OalsePQM作为研究TRAP转运体机制的新模型系统。这些发现不仅增进了我们对细菌有机硫化合物转运机制的理解，也为未来开发针对TRAP转运体的抗菌药物和生物技术应用提供了重要理论基础。

该研究展示了TRAP转运体作为模块化系统的潜力——通过工程化改造P亚基的底物特异性，可能实现新型底物的定向转运，这在合成生物学和代谢工程领域具有广阔应用前景。同时，对硫酸盐还原菌营养摄取机制的深入理解，将为控制其在环境和人体中的有害生长提供新思路。